稳定性是重型越野车辆追求的重要指标．传动系统作为重型越野车辆的重要结构，其安装后的尺寸保持性、精度稳定性是影响重型越野车辆整体稳定性的关键．螺栓预紧力作为重要工况载荷，会直接影响传动系统的装配精度、连接刚度和应力分布状态等[1]．因此，研究传动系统螺栓预紧工艺设计方法是提高重型越野车辆传动系统精度的重要途径之一．螺栓预紧工艺参数包括预紧顺序、预紧级次和预紧力大小等．其中，螺栓预紧顺序是影响预紧效果的主要因素，现有对螺栓预紧工艺的研究大都集中在预紧顺序优化方面．文献[2]对某型号风力发电机的塔基螺栓连接螺栓的残余预紧力进行了研究，提出螺栓孔的弹簧等效模型，并据此对紧固过程中的螺栓残余预紧力进行预测，改善紧固工艺．文献[3]对非对称多螺栓连接结构进行了研究，提出非对称多螺栓连接结构的计算模型，并对紧固过程中的螺栓预紧顺序对螺栓预紧力分布的影响进行分析．文献[4]对螺栓法兰接头的螺栓预紧序列进行研究，提出基于多轴预紧的螺栓法兰预紧序列，并证实了该预紧序列的有效性．文献[5]对发动机泵阀门环形螺栓组的装配工艺进行研究，建立了阀门环形法兰有限元模型，分析了不同螺栓组装配工艺对阀门法兰螺栓的应力与变形的影响．文献[6]对航空发动机低压转子螺栓组的预紧工艺进行研究，分析服役预紧力与工艺预紧力的影响因素，以及拧紧顺序、拧紧步数与拧紧步长对于弹性相互作用的影响规律，提出一套较优的拧紧工艺方案．文献[7]研究了大型数控机床地脚螺栓组对数控机床几何精度的影响，建立了多螺栓弹性相互作用通用模型，借此分析弹性相互作用影响下螺栓组残余预紧力的分布情况，并结合机床地脚螺栓的分布规律和结构特点，以降低安装变形误差、提高残余预紧力均匀性为目标，提出地脚螺栓预紧规划方法．文献[8]基于相关理论及实验对某纯电动汽车电池组的螺纹预紧工艺进行分析，并从螺纹松动机理及拧紧工艺管控两个方面研究了螺纹连接质量的优化方法．本研究以某重型越野车辆传动系统为对象，基于有限元仿真分析了螺栓预紧工艺对装配精度的影响，设计了螺栓预紧工艺方案，并对其进行优化．1 装配误差形成机制某重型越野车辆传动系统三维模型如图1所示．其零件装配顺序为：在传动轴、传动部件与箱体安装形成一个整体后，先使用内圈螺栓将配流套与端盖固定在一起形成端盖组件，再将端盖组件安装到箱体上，最后拧上外圈螺栓，完成整个传动系统的装配．10.13245/j.hust.238952.F001图1某重型越野车辆传动系统三维模型装配过程中产生的装配基准偏移是端盖中心孔安装误差的主要来源[9]，如图2所示．当拧紧第一颗螺栓时，端盖结构的不均匀性使端盖在轴向的螺栓预紧力下产生了径向的偏移，同时使端盖上其他螺栓孔的位置产生了一定的偏移；当第二颗螺栓拧紧时以已经产生偏差的螺栓孔作为基准，在此基础上产生新的偏移；以此类推，每颗螺栓拧紧时都在现有偏差的基础上产生新的偏差，当螺栓拧紧完成时端盖的径向偏移量可视为拧紧过程中各个螺栓产生的偏移量叠加的结果．10.13245/j.hust.238952.F002图2螺栓拧紧产生的基准偏移随着螺栓的依次拧紧，端盖与箱体之间的连接刚度也逐渐增加，相同螺栓预紧力能产生的径向偏移越来越小．与后拧紧的螺栓相比，先拧紧的螺栓对端盖径向偏移量有更大的影响，因此不同的预紧顺序下，端盖的偏移量也不同．2 预紧工艺设计与优化预紧工艺优化的主要目标是减小端盖中心孔装配误差．预紧顺序、预紧级次和预紧力大小是最主要的预紧工艺参数．预紧顺序、预紧级次对装配精度影响较大，是本研究的主要优化对象．由于预紧力大小往往受到螺栓强度、连接刚度等条件的限制，因此不对其进行优化．2.1　有限元模型建立根据外圈螺栓拧紧时传动系统各零件的安装定位状态进行模型简化，建立传动系统的有限元仿真模型，如图3所示．10.13245/j.hust.238952.F003图3传动系统有限元仿真模型为兼顾仿真精度与仿真效率，根据装配过程中螺栓影响大小的变化简化预紧顺序的仿真流程：当第一级预紧时，端盖整体的装配基准尚未固定，每个螺栓都会使端盖产生较大偏移，故前8个螺栓按照“每步拧紧一个螺栓”进行仿真；在端盖整体的装配基准固定后，螺栓的预紧力只会影响局部的装配基准，可以忽略相距较远的螺栓之间的相互影响，故后19个螺栓按照“每步同时预紧两个螺栓”进行仿真；当第二、三级预紧时，端盖的装配基准已经基本确定，螺栓的预紧力对端盖局部的装配基准也不再有影响，故按照“每步同时预紧四个螺栓”进行仿真．整个螺栓装配过程共需27步(二级)和34步(三级)仿真．外圈螺栓直径d=12 mm，拧紧力矩T为100~110 N⋅m，取最大值T=110 N⋅m．在弹性区内，螺栓预紧力与拧紧力矩成正比[7]，计算公式为F=T/(Kd)，式中K为扭矩系数，根据螺栓拧紧时的表面状态和润滑情况确定．取K=0.24，则外圈螺栓预紧力为F=TKd=1100.24×(8×10-3) N=38.194 kN．2.2　预紧工艺设计在实际的生产装配中，该重型越野车辆传动系统外圈螺栓使用的预紧方案如表1和图4(a)所示，图中：数字代表螺栓拧紧的次序；不带下划线的数字对应A组螺栓；带下划线的数字对应B组螺栓．10.13245/j.hust.238952.T001表1当前预紧方案预紧力矩预紧级次预紧顺序100~110 N∙m分二级预紧，每级分别使用50%和100%的最大预紧力根据螺栓孔处结构差异，将所有螺栓分为A，B两组，按照对角顺序先拧紧A组螺栓，再拧紧B组螺栓，每级使用相同的预紧顺序10.13245/j.hust.238952.F004图4不同预紧方案的预紧顺序目前关于螺栓组装配工艺方面，国内已有相关规范，但针对螺栓预紧顺序等暂未做过高要求[10]．欧美等国在研究的基础上已经建立了一些标准，美国机械工程师学会于2019年发布了《压力边界螺栓法兰连接安装指南》[11]，针对不同数目的螺栓连接法兰提出了多种装配工艺，包括对角拧紧和多轴拧紧等．然而，由于传动系统结构、螺栓分布的复杂性，因此并不能直接使用ASME PCC-1推荐的预紧方案．针对传动系统外圈螺栓的分布特点，本研究通过分析ASME PCC-1中螺栓拧紧方案的一般规律，参考文献[12]针对预紧顺序的研究，制定了以对角拧紧顺序为基础、基于相关研究成果进行调整的初步预紧方案，如表2和图4(b)所示．10.13245/j.hust.238952.T002表2初步预紧方案预紧力矩预紧级次预紧顺序100~110 N∙m使用相同的预紧顺序分三级预紧，每级预紧力分别为50%，80%和100%基于间距最远原则，将所有螺栓划分为7组，按对角顺序依次拧紧2.3　预紧顺序优化当其他条件相同时，与后拧紧的螺栓相比，先拧紧的螺栓能产生更大的装配基准偏移，对最终的端盖中心孔偏移量有更大的影响．通过调整螺栓的拧紧顺序，可以增强或削弱某个螺栓对端盖中心孔偏移量的影响．据此可以根据预紧顺序的仿真结果对其进行优化，具体调整方式为：将负敏感度的螺栓的装配顺序提前，以增强其影响；将正敏感度的装配顺序延后，以削弱其影响．按照以上方式调整获得的预紧顺序理论上能使最终的装配偏移量达到最小值，但实际可能出现一定的偏差．可以对调整后的预紧顺序再次进行仿真、调整，不断重复以上过程，从而获得较为理想的预紧顺序．最终得到预紧顺序如图4(c)所示．为确定预紧顺序的优化效果，选定三种预紧方案进行仿真对比，如表3所示．其中预紧方案一基于图4(b)所示的预紧顺序设计，预紧方案二基于图4(c)所示的预紧顺序设计．10.13245/j.hust.238952.T003表3三种预紧顺序对比的预紧方案预紧方案预紧力/kN预紧顺序预紧级次预紧方案一3.82初步方案预紧顺序(图4(b))三级预紧，每级预紧力分别为50%，80%和100%预紧方案二3.82调整后预紧顺序(图4(c))三级预紧，每级预紧力分别为50%，80%和100%当前预紧方案3.82当前预紧顺序(图4(a))二级预紧，每级预紧力分别为50%和100%提取三种预紧方案下的端盖中心孔偏移量，如图5所示，图中曲线外围的浅色颜色范围代表对应偏移量的误差棒．当前预紧方案下的端盖中心孔最终偏移量最大，约为1.83 μm；预紧方案一下的端盖中心孔最终偏移量次之，约为0.97 μm；预紧方案二下的端盖中心孔偏移最小，约为0.39 μm．预紧方案二产生的端盖安装误差最小，与当前预紧方案相比，端盖中心孔偏移减小了1.44 μm，约78%．10.13245/j.hust.238952.F005图5三种预紧方案下的端盖中心孔偏移量三种预紧方案下的端盖中心孔偏移量差异表明：与实际生产中使用的预紧方案相比，本研究所设计的预紧方案能获得更好的装配精度，所使用的预紧方案优化方法在一定程度上能降低装配误差．2.4　预紧级次优化预紧级次决定了每级使用的预紧力大小，对每级预紧中产生的基准偏移误差有较大的影响．随着预紧过程的进行，后预紧的螺栓能产生的基准偏移误差越来越小，基准误差的产生重要集中在最初的几个螺栓拧紧过程中．因此，在各级预紧使用的预紧力中，第一级预紧力最为重要．为此，选定四种预紧方案通过仿真分析第一级预紧力大小对装配精度的影响，如表4所示．10.13245/j.hust.238952.T004表4四种预紧顺序对比的预紧方案预紧方案预紧力/kN预紧顺序预紧级次预紧方案一3.82初步方案预紧顺序(图4(b))三级预紧，每级预紧力分别为50%，80%和100%预紧方案二3.82初步方案预紧顺序(图4(b))三级预紧，每级预紧力分别为30%，80%和100%预紧方案三3.82初步方案预紧顺序(图4(b))三级预紧，每级预紧力分别为25%，80%和100%预紧方案四3.82初步方案预紧顺序(图4(b))三级预紧，每级预紧力分别为20%，80%和100%提取四种预紧方案下的端盖中心孔偏移量，如图6所示．可以看出：预紧方案一下的端盖中心孔最终偏移量最大，约为0.97 μm；预紧方案四下的10.13245/j.hust.238952.F006图6四种预紧方案下的端盖中心孔偏移量端盖中心孔最终偏移量次之，约为0.64 μm；预紧方案二与预紧方案三下的的端盖中心孔偏移较为接近，分别为0.33和0.45 μm．在四种预紧方案中，预紧方案二产生的端盖安装误差最小．四种预紧方案下的端盖中心孔偏移量差异表明：在使用三级预紧的前提下，第一级预紧使用30%的预紧力产生的装配误差最小，说明在该预紧方案下不同螺栓预紧产生的装配偏差得到了较好的平衡，实现了最终装配误差的最小化．3 结语螺栓预紧工艺是影响某重型越野车辆传动系统精度与稳定性的重要问题．本研究以某重型越野车辆传动系统为研究对象，分析了其外圈螺栓预紧工艺对装配误差影响方式，并根据传动系统结构特点设计了一种装配方案，提出一种装配顺序优化方法，并对装配方案进行了优化．最后通过有限元仿真分析了预紧顺序、预紧级次对装配精度的影响．分析结果表明：与实际使用的预紧方案相比，所设计的预紧方案能较好降低端盖中心孔装配偏差．